考虑电池动态特性的低惯量舰船微电网构网型储能系统控制器

《Journal of Energy Storage》：Grid-forming energy storage system controller considering battery dynamics in the low-inertial shipboard microgrid

　　

由于舰船微电网天生具有低惯量（low-inertial）与弱阻尼（weakly damped）特性，极易受时变及瞬时舰载负荷影响，导致母线电压易跌落至安全运行范围之外，增加推进性能下降甚至丧失操纵能力的风险。为解决电压问题，可利用大规模储能系统（Energy Storage System, ESS）与主发动机协调以平抑功率波动并提供应急能量支撑。然而与陆上应用不同，锂离子电池在严苛海洋工况下的运行特性易发生改变，进而影响电池的快速功率支撑能力。本文提出一种基于动态电池模型的新型构网型变流器控制框架，用以抑制电压暂降并应对紧急场景。首先，基于摇摆工况下的电池测试数据，建立精确的电池状态耦合特性模型，以捕捉其动态可行功率运行域。随后，设计一种一次构网控制策略，与主发动机协同快速应对不可预见的运行风险，包括瞬时负荷冲击与发电机故障。特别地，基于可观测的电池动态，可量化电池构网支撑能力（如虚拟惯性）。考虑到电池供电能力随长期使用显著衰减，进一步提出一种二次功率分配控制，动态分配功率调节指令以缓解功率缺额。最后，在实验室缩比实验系统上验证了所提方法。与两种代表性方法相比，所提方法最多可将直流电压暂降降低54.56%，同时防止电池过载运行，并将电池使用寿命提升30%。

论文解读：考虑电池动态特性的低惯量舰船微电网构网型储能系统控制器

研究背景与意义

全电船舶（All-electric ships, AESs）是环保型海运技术的重要方向。由于缺少大电网支撑，舰船微电网呈现高电力电子渗透率、线路短、短路比低的特性，表现为低惯量（low-inertial）与弱阻尼（weakly damped）。舰载负荷包含高/低频耦合分量，且恒功率负载（Constant Power Load, CPL）的负增量阻抗会进一步削弱系统阻尼、放大电压振荡。此外，主发动机（柴油发电机）难以快速响应瞬时负荷与故障冲击。例如2022年长江某散货船因发电机燃油中断失控碰撞的事故，凸显了系统脆弱性。为此，大规模储能系统（Energy Storage System, ESS）可作为功率/能量缓冲器与主发动机协同，构建鲁棒舰船微电网。现有研究多基于电流控制模式利用ESS的功率缓冲能力，依赖母线状态，无法直接提供同步发电机与直流电容般的虚拟惯性（virtual inertia）以抵御瞬时负荷波动。构网控制（Grid-forming control）虽可为陆上微电网提供虚拟惯性与暂态支撑，但舰船场景要求主发动机可spinning-reserve甚至停机，且需应对推进电机启动、雷达扫描等强瞬态扰动。更重要的是，电池在海洋环境（摇摆、温度）下微观电化学行为改变，宏观电气状态——荷电状态（State of Charge, SOC）、健康状态（State of Health, SOH）、功率状态（State of Power, SOP）——发生显著变化，其动态可行功率域（feasible power operating range）漂移会直接影响构网支撑能力。现有电池模型对摇摆影响理解不足，且控制常采用固定功率约束，易造成指令与实际输出失配、电池过载，在低惯量系统中引入安全隐患。因此，Sidun Fang、Meilin Lv、Peng Wu、Yingbing Luo、Tao Niu、Guanhong Chen、Ruijin Liao等研究人员开展了本研究，成果发表于《Journal of Energy Storage》。

关键技术方法

研究人员以环型舰船微电网为对象，直流母线由柴油主发动机与构网型ESS协同供电，功率型超级电容补偿瞬时脉冲。核心方法包括：1）基于模拟舰船摇摆工况的电池测试数据集，建立精确的状态耦合特性模型，量化电池在全寿命演化中的动态可行功率运行域；2）设计一次构网控制（primary grid-forming control），以虚拟同步机（Virtual Synchronous Machine, VSM）思路为基，协同主发动机提供虚拟惯性与电压支撑，并基于可观测电池动态量化构网支撑能力；3）针对长期衰减引发的功率缺额，设计二次功率分配控制（secondary power-sharing control），动态调度多电源指令以补偿电池动态可行域缩减带来的 deficit。方法在RT-Lab OP4080半实物仿真系统与DSP TMS320F28377S控制器构成的实验室缩比实验平台上验证，负荷含推进、雷达脉冲及日常服务负荷，并与两种代表性方法进行对比。

研究结果

Shipboard microgrid model

研究人员建立了集成信息网的环型舰船微电网模型。能量型电池通过两台可控电压源变流器（Voltage Source Converter, VSC）协同柴油主发动机，为左舷与右舷直流母线提供稳定电压支撑，满足推进电机、雷达导航及日常负荷需求；功率型超级电容补偿瞬时脉冲。模型体现了低惯量、弱阻尼及多源协调特征。

Grid-forming converter control framework based on a dynamic battery model

研究人员提出基于动态电池模型的构网型变流器控制框架。框架包含两层级：一次构网控制快速响应暂态负荷与故障，协同主发动机提供虚拟惯性/电压支撑，并可量化电池构网支撑能力；二次功率分配控制考虑电池长期衰减导致的可行域缩小，动态重分配功率调节指令以补偿缺额。框架充分利用电池控制灵活性，将动态可行功率域嵌入控制器约束。

Experimental platform

研究人员搭建硬件在环（Hardware-in-the-loop）控制器系统。RT-Lab中运行舰船微电网模型，DSP实现所提控制框架。案例研究中负荷含两台推进负载、四台雷达脉冲负载及两台日常服务负载。平台用于验证控制框架在典型与紧急场景下的表现。

结论（翻译与总结）

为解决低惯量舰船微电网的不规则功率轮廓问题，研究人员在实验室缩比实验系统中验证了基于动态电池模型的构网型变流器控制框架，主要结论如下：

（1）建立了精确的状态耦合特性模型，量化电池在全健康演化过程中的可行功率运行域：摇摆与高倍率工况将影响电池动态；模型可支撑控制器动态约束设计。

（2）所提一次构网控制可协同主发动机，在不确定航行条件下为母线提供足够的虚拟惯性/电压支撑，并可量化电池构网支撑能力，通过三个指标验证性能。

（3）针对长期使用中电池性能衰减引发的功率缺额，所提二次功率分配控制可准确计算并补偿缺额，动态分配功率调节指令至多舰船电源，缓解电池动态带来的功率不足。

（4）实验对比表明，与两种代表性方法相比，所提方法最多将直流电压暂降降低54.56%，同时防止电池过载运行，并将电池使用寿命提升30%。

讨论总结

研究人员指出，传统固定功率约束或单纯限流会引发指令-输出失配，在低惯量系统中抬高安全风险；而所提框架将电池动态可行域直接嵌入构网控制与二次分配，兼顾快速暂态支撑与长期健康保护。贡献在于：首次基于摇摆工况测试数据建模量化电池动态可行域；首次在舰船场景中以构网控制充分释放电池灵活性并量化虚拟惯性支撑；首次以二次分配补偿电池动态衰减引发的功率缺额。研究为严苛海洋环境下低惯量舰船微电网的稳健运行提供了控制思路，未来可进一步拓展至多ESS协同与更精细的电化学-热耦合建模。